基于單片機(jī)的多通道足底壓力采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 夢(mèng)，葛 斌，徐明哲，石仝雨

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

基于單片機(jī)的多通道足底壓力采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 夢(mèng)，葛 斌，徐明哲，石仝雨

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

設(shè)計(jì)了一種基于PIC18F4550的多通道FlexiForce薄膜壓力傳感器平臺(tái)。選用PIC公司的超低功耗單片機(jī)PIC18F4550作為主控芯片，結(jié)合FlexiForce薄膜壓力傳感器和多通道信號(hào)采集，實(shí)時(shí)采集多個(gè)通路的壓力傳感器數(shù)據(jù)。采用 VC++ 編寫的上位機(jī)軟件圖形界面，在此界面上顯示實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。通過對(duì)該系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，平穩(wěn)上升加壓分析，結(jié)果中沒有出現(xiàn)明顯的跳躍、突變，顯示的牛頓值隨著壓力值的上升而上升；零壓力穩(wěn)定性，軟件顯示的最大值為1 N，平均值為0.23 N；固定壓力值檢測(cè)，誤差都滿足FlexiForce薄膜壓力傳感器的1%誤差范圍。

單片機(jī)；多通道；薄膜壓力傳感器

相對(duì)于采用傳統(tǒng)的金屬絲或者硅擴(kuò)散方式的壓力傳感器，F(xiàn)LexiForce薄膜壓力傳感器具有體積小、功耗低等特點(diǎn)。FLexiForce薄膜壓力傳感器的工作原理是薄膜敏感材料的壓阻力效應(yīng)。一方面在應(yīng)變力的作用，F(xiàn)LexiForce薄膜壓力傳感器的幾何形狀發(fā)生變化，引起材料的電阻值發(fā)生變化；另一方面材料的晶格變形改變了材料中電子的自由程，導(dǎo)致材料的電阻率發(fā)生變化。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將這種電阻值的變化轉(zhuǎn)化成FLexiForce薄膜壓力傳感器的輸出電壓值發(fā)生相應(yīng)的改變。本文采用基于PIC18F4550平臺(tái)的FlexiForce的A101型FLexiForce薄膜壓力傳感器，通過USB通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳輸。

1 設(shè)計(jì)思路

由于PIC18F4550系列的單片機(jī)的接口信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)，為了使用該型單片機(jī)獲取壓力、重量等非電信號(hào)的數(shù)據(jù)，必須將FLexiForce薄膜壓力傳感器所受到的壓力信號(hào)先轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)輸出；另外，第一次轉(zhuǎn)換后得到的電流或電壓信號(hào)輸出信號(hào)是模擬信號(hào)，因此還需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以滿足該型單片機(jī)接口的需要；最后，通過USB接口輸出相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。

1.1 PIC18F4550單片機(jī)

PICl8F4550由美國(guó)PIC公司設(shè)計(jì)，內(nèi)置EEPROM，所采用的程序存儲(chǔ)器是Flash型；在A/D轉(zhuǎn)換模塊上，這款單片機(jī)的分辨率為10 bit；另外該系列單片機(jī)采取了內(nèi)置的通用串行總線通信模塊，該通訊模塊遵循USB 2.0 規(guī)范，同時(shí)支持USB2.0協(xié)議中的低速和全速通信；該型單片機(jī)還設(shè)計(jì)了單片機(jī)的片內(nèi)收發(fā)器和穩(wěn)壓電路，同時(shí)也支持外部收發(fā)器。因此對(duì)于開發(fā)者而言該單片機(jī)使用更加方便。本方案直接采用PIC4550的USB接口來完成USB信號(hào)的傳輸[1-2]。

1.2 FLexiForce薄膜壓力傳感器

Flexi Force薄膜壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由兩層襯底組成，襯底的主要材料是聚脂纖維薄膜。通過在薄膜層上覆蓋一種特殊的導(dǎo)體材料，然后在導(dǎo)體材料表面添加一層對(duì)壓力敏感的壓力墨水，最后使用粘合材料將兩層襯底壓在一起，形成一個(gè)完整的傳感器。壓力墨水外顯示的銀邊表示對(duì)壓力敏感的區(qū)域，在該敏感區(qū)域外圍有兩根引出導(dǎo)線，輸入到外圍電路中。

電路中FlexiForce薄膜壓力傳感器可以看作電路中的一個(gè)可變電阻。當(dāng)沒有壓力負(fù)載時(shí)，F(xiàn)lexiForce薄膜壓力傳感器呈高阻狀態(tài)(電阻值>5 MΩ)，當(dāng)有壓力負(fù)載時(shí)，電阻下降。本文中通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路使傳感器受到的壓力載荷和相應(yīng)的電阻值對(duì)應(yīng)。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

本文設(shè)計(jì)的足底壓力采集系統(tǒng)基于PIC18F4550微處理器，系統(tǒng)包含壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊，數(shù)據(jù)采集和處理模塊、USB通信模塊和上位機(jī)顯示界面。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

整個(gè)多通道壓力測(cè)量系統(tǒng)由PIC18F4550微處理器控制，具體的工作過程如下：安裝在檢測(cè)部位的壓力傳感器，對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行感知與測(cè)量；傳感器將受到的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出；輸出的電信號(hào)由信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行放大和調(diào)理，然后通過微處理器的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；微處理器將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)送到傳輸模塊；傳輸模塊將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過USB通信的方式傳輸給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與曲線的實(shí)時(shí)顯示，并可用于后續(xù)分析處理[3-4]。

2.1 PIC微處理器模塊

壓力信號(hào)的采集過程由微處理器控制，通過微處理器的A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，便于上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。項(xiàng)目采用自帶USB通訊模塊的PIC18F4550增強(qiáng)型芯片，該微處理器簡(jiǎn)潔輕便，可以直接通過線路與外接模塊相連接。微處理器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。

圖2 微處理器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.2 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)是為了保證壓力數(shù)據(jù)能夠被采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使用USB數(shù)據(jù)通信模塊將數(shù)據(jù)從單片機(jī)的USB數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)的USB傳輸部分選用PIC18F4550自帶的USB通信模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)USB信號(hào)的實(shí)時(shí)接收與發(fā)送，將從PIC18F4550微處理器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收并發(fā)送給上位機(jī)。通過D-、D+、GND、VCC與上位機(jī)USB接口的相應(yīng)連接線相連，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)并在上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

本文采用PIC18F4550芯片，其自帶USB 功能控制器，遵循USB2.0規(guī)范，同時(shí)支持16個(gè)endpoint端點(diǎn)，1 kB USB Flash緩存,集成USB收發(fā)器，無需外部電阻。USB和單片機(jī)通過USB狀態(tài)和中斷寄存器相連接，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)端點(diǎn)，傳輸?shù)浇缑?，并且通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)控制符來調(diào)節(jié)USB接口的數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，最終輸出相應(yīng)的壓力值[5-7,10]。

2.3 信號(hào)調(diào)理模塊

在本論文中涉及的FLexiForce薄膜壓力傳感器由于輸出的信號(hào)較為微弱，在單片機(jī)采集電信號(hào)之前需要將電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波等預(yù)電信號(hào)處理。在本實(shí)驗(yàn)中所采用的電信號(hào)調(diào)理和放大電路，針對(duì)FLexiForce薄膜壓力傳感器輸出信號(hào)特點(diǎn)和后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換模塊的特點(diǎn)將輸出的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理及放大，然后將處理過的信號(hào)輸入單片機(jī)[8-9]。輸入信號(hào)通過MCP6044的二級(jí)調(diào)制、放大，將受到的壓力值轉(zhuǎn)化成為0～5 V的電壓值，最終輸入單片機(jī)的A/D接口，讀取相應(yīng)的數(shù)值，單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送0～1 024數(shù)值，上位機(jī)讀取數(shù)值，和標(biāo)準(zhǔn)曲線相對(duì)應(yīng)讀取相應(yīng)的數(shù)值[10-11]。

2.4 壓力信號(hào)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)使用(艾德堡)HLA HLB壓力測(cè)試機(jī)(量程0～1 000 N)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)FLexiForce薄膜壓力傳感器施加相應(yīng)的壓力值，將上位機(jī)得到的數(shù)值和相應(yīng)的輸入壓力值制作成壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)曲線。重復(fù)進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)，每條標(biāo)準(zhǔn)曲線的采樣點(diǎn)數(shù)量超過15個(gè)，每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)值取平均值。

圖3 壓力值標(biāo)準(zhǔn)曲線

由此得到標(biāo)準(zhǔn)曲線為

y= 0.000 2x2+ 0.777 1x

(1)

R2=0.993 1

(2)

2.5 下位機(jī)軟件模塊

基于PIC18F4550的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)感知穿戴者的足底壓力變化情況，并通過A/D 轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，該數(shù)字量由通訊模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。通過參考對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，將輸入的A/D值轉(zhuǎn)化成牛頓值，并且在圖標(biāo)上顯示出來。上位機(jī)的主要任務(wù)是協(xié)調(diào)管理下位機(jī)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)和顯示[12]。上位機(jī)的所有數(shù)據(jù)讀入和顯示功能通過C++進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，具體軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

數(shù)據(jù)采集界面的主要功能是：(1)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通過USB接口傳輸模塊接收PIC18F4550微處理器傳送的數(shù)據(jù)；(2)根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)定顯示界面、設(shè)定相關(guān)參數(shù)，檢測(cè)和壓力檢測(cè)點(diǎn)序號(hào)，通過觸發(fā)程序完成壓力采集過程；(3)能夠直觀地顯示壓力的的波形數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)存入指定的位置，保存相關(guān)數(shù)據(jù)文件。界面如圖5所示。

3 系統(tǒng)性能分析

為驗(yàn)證整套采集系統(tǒng)的正確性。現(xiàn)將硬件系統(tǒng)與上位機(jī)連接，并通過USB接口進(jìn)行上下位機(jī)聯(lián)合調(diào)試，檢測(cè)壓力傳感器參數(shù)的準(zhǔn)確性。本實(shí)驗(yàn)涉及平穩(wěn)上升加壓、零壓力穩(wěn)定性、固定壓力值3種基本檢測(cè)。上述運(yùn)動(dòng)均為壓力監(jiān)測(cè)的基本狀態(tài)，基于壓力監(jiān)測(cè)需求，描述與之相關(guān)的壓力變化特征。在本次實(shí)驗(yàn)過程中，使用FlexiForce的A101型FLexiForce薄膜壓力傳感器采集壓力信號(hào)，采樣頻率為50 Hz；使用PIC18F4550微控制器控制信號(hào)采集和A/D 轉(zhuǎn)換；并通過USB傳輸模塊傳給上位機(jī)，即將薄膜壓力值的變化情況在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。最后，通過將本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3.1 平穩(wěn)上升加壓實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)采用量程為0～1 000 N的(艾德堡)HLA HLB壓力測(cè)試機(jī)。每固定時(shí)間間隔，將壓力值調(diào)高100 N，施加在FLexiForce薄膜壓力傳感器上，壓力達(dá)到最大值后結(jié)束實(shí)驗(yàn)。通過檢測(cè)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的值，查看是否有階躍、突變等，檢測(cè)軟件系統(tǒng)是否穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知：本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的跳躍、突變；軟件顯示的牛頓值隨著壓力值的上升而上升。

3.2 零壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

薄膜傳感器上不加載任何壓力，并放置1 min。通過軟件記錄其讀取的壓力值，根據(jù)讀數(shù)計(jì)算其壓力平均值。測(cè)試結(jié)果為：在薄膜傳感器上不加載外力時(shí)，軟件顯示的最大值為1N，平均值為0.23 N。參照壓力傳感器說明書，本實(shí)驗(yàn)采用的FLexiForce薄膜壓力傳感器在量程范圍內(nèi)有1%的誤差，實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)值符合其位于量程的1%誤差內(nèi)。

3.3 固定壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用多個(gè)壓力測(cè)試點(diǎn)，在FLexiForce薄膜壓力傳感器上施加相應(yīng)的壓力，分別是10 N，20 N，50 N，100 N，200 N，300 N，500 N，800 N，1 000 N。將本實(shí)驗(yàn)中計(jì)算器獲取的平均值，用SPSS 17.0軟件進(jìn)行處理。軟件獲得的數(shù)據(jù)如表1所示，表中得到的壓力值采用x±s表示，單位為N。

表1 固定壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可以明顯看到，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較好，測(cè)得數(shù)據(jù)的誤差均滿足FLexiForce薄膜壓力傳感器的1%誤差范圍。

4 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有缺乏多通道的壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，本文提出了多通道壓力采集系統(tǒng)基于PIC18F4550單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用FLexiForce薄膜壓力傳感器并通過USB的中斷通訊模式，實(shí)現(xiàn)了多通道壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，同時(shí)采用VC++設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件界面，實(shí)現(xiàn)了壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和保存。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，本系統(tǒng)具有多通道、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，工作靈活可靠，具有良好的應(yīng)用前景。

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Design of Multi-channel Thin Film Pressure Sensor System Based on PIC18F4550 Platform

WANG Meng，GE Bin，XU Mingzhe，SHI Tongyu

(School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

This paper designed a multi-channel thin film pressure sensor system based on PIC18F4550 platform. The thin film pressure sensor has the characteristics of small volume and low power consumption, etc. Multi-channel system can pressure sensor at the same time to collect pressure sensor signals and pressure values. This article chooses the PIC (Texas instruments) company’s low power consumption MCU PIC18F4550 single-chip microcomputer as the master control chip, combined with the thin film pressure sensor and multi-channel signal acquisition, real-time acquisition of multi-channel pressure sensor data. Adopted the PC software of VC + + write a graphical interface, the interface shows the experiment data. Experiment analyzed the performance of the system, steadily rising pressure analysis, the results did not appear obvious jump, mutations, according to the Newton’s value with the pressure value of the rise and rise; Zero pressure stability, the software shows that the maximum value of 1 Newton, with a mean of 0.23 N; Fixed pressure value detection, error all meet the 1% error range Flexi Force thin film pressure sensor.

MCU; multi-channel; thin film pressure sensor

2016- 11- 15

王夢(mèng)(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.009

TP274+.2

A

1007-7820(2017)09-030-04